光电效应5

光电效应怡若乐20132128372013214103班[实验目的]1、加深对光的量子性的认识；2、验证爱因斯坦方程，测定普朗克常量；3、测定光电管伏安特性曲线。三、实验仪器：光电管、NG型滤色片、光源、微电流测量放大器、数字存储示波器四、实验原理：1、光电效应与爱因斯坦方程用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。为了解释光电效应现象，爱因斯坦提出了“光量子”的概念，认为对于频率为的光波，每个光子的能量为Eh，其中h=6.626sJ3410为普朗克常数。按照爱因斯坦的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。爱因斯坦提出了著名的光电方程：212hmW（1）式中，为入射光的频率，m为电子的质量，为光电子逸出金属表面的初速度，W为被光线照射的金属材料的逸出功，1/2mv2为从金属逸出的光电子的最大初动能。由（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零。这个相对于阴极为负值的阳极电位0U被称为光电效应的截止电压。显然，有eu0-1/2mv2=0（2）代入上式即有0heUW（3）由上式可知，若光电子能量h+W，则不能产生光电子。产生光电效应的最低频率是0=W/h，通常称为光电效应的截止频率。不同材料有不同的逸出功，因而0也不同。由于光的强弱决定于光量子的数量，所以光电流与入射光的强度成正比。又因为一个电子只能吸收一个光子的能量，所以光电子获得的能量与光强无关，只与光子的频率成正比，，将（3）式改写为上式表明,截止电压0U是入射光频率的线性函数，如图2，当入射光的频率=0时，截止电压00U，没有光电子逸出。图中的直线的斜率k=h/e是一个正的常数：ekh（5）由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的U0-曲线，并求出此曲线的斜率，就可以通过式（5）求出普朗克常数h。其中Ce191060.1是电子的电量。2光电效应的伏安特性曲线图3是利用光电管进行光电效应实验的原理图。频率为、强度为P的光线照射到光电管阴极上，即有光电子从阴极逸出。如在阴极K和阳极A之间加正向电压AKU，它使K、A之间建立起的电场对从光电管阴极逸出的光电子起加速作用，随着电压AKU的增加，到达阳极的光电子将逐渐增多。当正向电压AKU增加到mU时，光电流达到最大，不再增加，此时即称为饱和状态，对应的光电流即称为饱和光电流。由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度，所以当两极间电位差为零时，仍有光电流I存在，若在两极间施加一反向电压，光电流随之减少；当反向电压达到截止电压时，光电流为零。图4入射光频率不同的I－U曲线图5入射光强度不同的I－U曲线爱因斯坦方程是在同种金属做阴极和阳极，且阳极很小的理想状态下导出的。实际上做阴极的金属逸出功比作阳极的金属逸出功小，所以实验中存在着如下问题：暗电流和本底电流。当光电管阴极没有受到光线照射时也会产生电子流，称为暗电流。它是由电子的热运动和光电管管壳漏电等原因造成的。室内各种漫反射光射入光电管造成的光电流称为本底电流。暗电流和本底电流随着K、A之间电压大小变化而变化。反向电流。制作光电管阴极时，阳极上也会被溅射有阴极材料，所以光入射到阳极上或由阴极反射到阳极上，阳极上也有光电子发射，就形成阳极电流。由于它们的存在，使得实际I～U曲线较理论曲线下移，如图6。图6伏安特性曲线由于暗电流是由阴极的热电子发射及光电管管壳漏电等原因产生，与阴极正向光电流相比，其值很小，且基本上随电位差U呈线性变化，因此可忽略其对遏止电位差的影响。[实验内容及步骤]1、调整仪器2、测量普朗克常数h3、设计多个实验验证光电效应的基本实验事实。具体方案自拟4、测量光电管的本底电流和暗电流，讨论对本实验的影响[数据记录与处理]1测量普朗克常数波长λ(nm)365.0405．7436.8546.1577.0频率V(1014HZ)8.2147.4086.8795.4905.196截止电压(V)-1.864-1.780-1.440-0.862-0.734计算普朗克常量:k=U/v=0.399710-14h0=ek=1.160210-190.399710-14=4.637310-34JS公认值为h=6.6261误差=(h-h0）/h*100%=21.5%2、设计多个实验验证光电效应的基本实验事实。具体方案自拟I--UAK关系光阑孔Ф：4mm波长λ：577nmUAK(V)-1.0-0.301.02.03.04.05.06.07.08.09.0I(10-10A)0026810121314151618UAK(V)10.011.012.014.016.018.020.022.024.026.028.030.0I(10-10A)192022242527283031323334光阑孔Ф：4nm波长λ：365nmUAK(V)-1.0-0.50123456789I(10-10A)069172738506273828895UAK(V)101112131415182124262830I(10-10A)102110117124132137153170186195203215IM—P关系UAK=50.0V波长λ：404.7nmL=400nm光阑孔Ф（nm）248I(10-10A)21774结论（1）对应于某一频率,光电效应的-I关系如上图所示。从图中可见，对一定的频率，有一电压U0,当≦时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压U0，被称为截止电压。(2)当≧后，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比。(3)对于不同频率的光，其截止电压的值不同3、测量光电管的本底电流和暗电流，讨论对本实验的影响光阑孔Ф：4mm波长λ：404.7nm本底电流：U（V）-115101520I（10-10A）0247911U（V）253035404550I（10-10A）131618202224暗电流：U（V）-115101520I（10-10A）048111315U（V）253035404550I（10-10A）171921232526（上面那条是暗电流，下面那条是本底电流）影响：在U〉0部分，使实测曲线的I-U图比理想曲线高，截止电压绝对值减小。